Modelación termodinámica y optimización energética de un ciclo de refrigeración por absorción difusión

Abstract

En el presente proyecto de investigación se desarrolló un modelo termodinámico del ciclo de refrigeración por absorción difusión (DAR) basado en la patente de Von Platen y Munters (US Patent 1,868,425, [1928]). El desarrollo tecnológico de este ciclo de refrigeración y sus componentes ocurrió de forma empírica. La patente mencionada se utiliza en el diseño de los refrigeradores que operan siguiendo este ciclo termodinámico. El cual no ha variado su diseño significativamente desde entonces. Se realizó un análisis termodinámico considerando conceptos de equilibro de fases entre agua, amoniaco y gas inerte / no condensable. Este equilibrio se presenta en algunos componentes del refrigerador para aportar mayor certeza respecto a los valores teóricos de variables (por ejemplo: composiciones) que podrían calcularse para condiciones de operación cambiantes. Los datos de entrada para el modelo son: la presión del sistema, flujo de calor en el generador, las temperaturas en varios componentes (generador, rectificador, evaporador y absorbedor), eficiencia de los intercambiadores de calor y cambio de temperatura por sub enfriamiento en el condensador. Las variables calculadas con la herramienta desarrollada en Engineering Equation Solver (EES) son: flujos de calor ganado o cedido en los componentes, el COP del sistema, la relación de circulación y las variables principales en cada uno de los estados del ciclo termodinámico (temperatura, flujo másico/molar, concentración de amoniaco/agua/hidrógeno en base másica y molar, etc.). Un refrigerador DAR fue adquirido, instalado e instrumentado con termopares para conocer la temperatura en las tuberías de cada componente. Adicionalmente, se midió la potencia eléctrica consumida. Una parte de la información experimental se utilizó para guiar la selección de rangos de las variables de entrada al modelo y otros datos han servido para validar los resultados obtenidos con el modelo termodinámico desarrollado. Paralelamente, se realizó un análisis de transferencia de calor para calcular el flujo de calor intercambiado hacia/desde el ambiente de los componentes del refrigerador DAR y para determinar la temperatura experimental de los fluidos a partir de la temperatura superficial. La validación del modelo termodinámico desarrollado se llevó a cabo de dos formas. La primera, por medio de comparaciones con las variables calculadas por transferencia de calor a partir de los datos medidos en el refrigerador DAR. Se observó una alta concordancia tanto cuantitativa como cualitativa en los resultados del modelo. En la segunda validación se comparó los resultados de modelos con información publicada en la literatura científica abierta. La comparación, por ejemplo, a un mismo valor de presión, arroja resultados que guardan una alta correspondencia, sin necesidad del ajuste posterior del modelo, aun cuando, se permite variar la presión dentro de un rango significativo. Se llevó a cabo un análisis de sensibilidad de las diferentes condiciones de operación del equipo para analizar la factibilidad de utilizar fuentes de energía de baja temperatura como el calor de desecho de otros procesos o energía solar. Como resultado de este análisis se encontró condiciones óptimas de funcionamiento del ciclo bajo diferentes condiciones de operación. Por ejemplo, en la gráfica de COP vs. Temperatura del generador se observan los puntos de desempeño máximos para cada presión del sistema.